电的起源 1

张哲斐

一、电是什么

电是一种自然现象，指电荷运动所带来的现象。自然界的闪电就是电的一种现象。电是像电子和质子这样的亚原子粒子之间产生的排斥力和吸引力的一种属性。它是自然界四种基本相互作用之一。电子运动现象有两种：我们把缺少电子的原子说为带正电荷，有多余电子的原子说为带负电荷。

远在2500 多年前，古希腊有一个叫塞利斯的人发现，用毛皮去摩擦琥珀（一种天然宝石），这块被摩擦过的琥珀能吸引一些像绒毛、麦秆等一些轻小的东西。那时候的人们无法解释这种现象，只好说：琥珀中存在一种特殊神力。他们把这种特殊神力称作“电”。这个词就是从希腊文的“琥珀”这个词演变而来的。
　　公元1600 年，英国医生吉尔伯特发现用摩擦的方法不但可以使琥珀具有吸引轻小物体的性质，而且还可以使不少别的物体如玻璃棒、硫磺、瓷、松香等具有吸引轻小物体的性质。
　　　在吉尔伯特之后的200 年中，又有很多人做过多次试验，不断地积累对电的现象的认识。其中，1734 年法国人杜伐，做了一些用玻璃棒与丝绸摩擦、松香与毛皮摩擦的试验，在这些试验中，他发现有两种不同性质的电，一种是把玻璃捧用丝绸摩擦，玻璃棒能吸起像纸屑、木屑之类的轻小物体，这种吸引力称为带电现象。他将这根玻璃棒用丝线悬挂起来，再将另一根与丝绸摩擦过的玻璃棒靠近它，发现这两根棒相互排斥，于是他就把玻璃棒带的电，称为“玻璃电”（即正电）；另一种是把松香用毛皮摩擦也产生带电现象，把用毛皮摩擦过的松香靠近用丝绸摩擦过的玻璃棒，发现这两者相互吸引，于是他称松香所带的电为“松香电”（即负电）。这就是人们所讲的同种电相互排斥、异种电相互吸引的现象。杜伐发现了这些现象，也作了最早的理论解释。

    1745年，普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特做了一个很有趣的实验。他利用一根导线将摩擦起电装置上的电引向装有铁钉的玻璃瓶，使瓶子充电，当他的手触及铁钉时，突然感到猛烈的一击。这是一次放电现象，铁钉上聚集的电穿过人体，使人感受到强烈的电的震动。
　　1746 年，荷兰人莱顿在上述实验的启发下做成了著名的莱顿瓶。那什么是莱顿瓶？莱顿瓶是一个玻璃瓶，瓶的外面和瓶内均贴上像纸一样的银箔，把摩擦起电装置所产生的电用导线引到瓶内的银箔上面，而把瓶外壁的银箔接地，这样就可以使电在瓶内聚集起来。如果用一根导线把瓶内的银箔和瓶外壁的银箔连接起来，则产生放电现象，引起电火花，发生响声，并伴随着一种气味。

　　18 世纪中叶，美国大电学家富兰克林通过风筝实验，“捕捉天电”，证明天空的闪电和地面上的电是一回事做了多次实验，进一步揭示了电的性质，并提出了电流这一术语。　

　　这个实验表明：被雨水湿透了的风筝的金属线变成了导体，把空中闪电的电荷引到手指与钥匙之间。这在当时是一件轰动一时的大事。很多人都在重复富兰克林的这一实验。为什么富兰克林的这一实验会引起这样的轰动？因为当时社会上对于雷电有一种恐惧心理，大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的表现。富兰克林在美国费城的实验惊动了教会，他们斥责他冒犯天威，是对上帝和雷公的大逆不道。然而，他仍然坚持不懈，而且在一年后制造出世界上第一个避雷针；终于制服了天电。由于教堂高高耸立的塔尖常被雷电所击，教会为了保护教堂，最终也不得不采用了这个“冒犯天威”的装置。以前电一直被人们当作一种娱乐手段，从此总算找到了实际的应用价值。

　　电流现象的研究，对于人们深入研究电学和电磁现象有着重要的意义。
　　现在我们知道，电流就是电荷向一定方向的移动。在金属导体中的电流是靠自由电子的运动来形成的。电流通过电路时，会产生许多新的效应。如电流通过电灯的时候，电灯就发热发光；电流通过电风扇的时候，电风扇就能转动。电流可使蓄电池充电；可带动电动机作功。这些现象表明，电流也是一种能量传输过程，电能可以通过各种特定的器件转化为其他形式的能量。

　　电流可存在于固体、液体或气体中。雷电现象，就是人们最早注意到大气中的电流现象。富兰克林传奇式的风筝实验使人们了解到雷电和摩擦带电的关系。随着避雷针的发明，逐渐消除了人们对雷电的恐惧心理。但在18世纪末之前，人们对电流现象的认识也仅到此为止，基本上仍然是一无所知。
　　那么，最早开始电流研究的是哪一位科学家呢？意大利的解剖学教授伽伐尼（1737～1798）被人们认为是最早开始电流研究的人。据记载，伽伐尼的发现是一次偶然性的发现。1780 年的一次极为普通的闪电现象，引起了他的思考。这次闪电使伽伐尼解剖室内桌子上与钳子和镊子环接触的一只青蛙腿发生痉挛现象。严谨的科学态度使他没有放弃对这个“偶然”的奇怪现象的研究，他花费了整整12 年的时间，研究像青蛙腿这种肌肉运动中的电气作用。最后，他发现如果使神经和肌肉同两种不同的金属（例如铜丝和铁丝）接触，青蛙腿就会发生痉挛。这种现象是在一种电流回路中产生的现象。在这里，蛙腿的肌肉是导体回路的一部分，肌肉和两种不同的金属丝构成了世界上第一个电流回路。肌肉的痉挛表明有电流通过，起到了电流指示器的作用。根据这种现象，他还制成了“伽伐尼电池”。但是，伽伐尼对这种电流现象的产生原因仍然未能回答，他认为蛙腿的痉挛现象是“动物电”的表现，由金属丝构成的回路只是一个放电回路。
　　伽伐尼的看法在当时的科学界引起了巨大的反响，人们自然地联想到海洋当中的一些带电的鱼，如电鳗、电，人们在海中如果被这种鱼触及身体，也会有电击的感觉。这说明在一些动物体内也贮存着电。但是，另一位意大利科学家伏打（1745～1827）不同意伽伐尼的看法，他认为电存在于金属之中，而不是存在于肌肉中，他于1782 年在写给朋友的信中说：“关于所谓动物电，您是怎样考虑的呢？我相信一切作用都是由于金属与某种潮湿的东西相接触才发生的”。两种明显不同的意见引起了科学界的争论，并使科学界分成两大派，他们的论战十分激烈，每一方都指责对方是异端邪说，标榜自己观点的正确。争论的结果是伏打的见解占了优势。但很可惜，因为伽伐尼于1798 年就因病去世了，他再也不能知道这场争论的胜负，再也听不到争论的结果了。
　　1800 年春季，即19 世纪第一个年头的春天，有关电流起因的争论有了进一步的突破。怎么会引起这种突破呢？这又要从伏打说起，伏打在他自己看法的指导下发明了著名的“伏打电池”。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交迭而成的装置，在每一对银片和锌片之间，用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板隔开。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。现在看来，这只是一种比较原始的电池，是由很多锌电池连接而成为电池组。但在当时的历史时期，伏打能发明这种电池确实是很不容易的。
　　伏打电池可以说是伏打赠给19 世纪的宝贵礼物。他的这个发明为电流效应的应用开创了前景，并很快成为进行电磁学和化学研究的有力工具。由此，伏打和与他同时代的别的国家的不少科学家，得出了各种有趣的结果，当时的报纸和杂志上不时登出各种各样新发现的消息。有了电池，英国的化学家戴维（1778～1829）才有可能奠定电离理论基础，并且分离出钠、钾、锶、　硼、钙、氯、氟、碘等元素，促进了化学的发展，并进而促使他的助手法拉第建立了电解定律。

　　伏打虽然发明了电池装置，但并不了解这种装置的道理。戴维阐明了这种装置的道理，指出这类电池的电流来自化学作用。但不管怎样，伏打的发明使人们第一次获得了可以人为控制的持续电流，为今后电流现象的研究提供了物质基础。伏打本人由于这项贡献，被许多国家的科学院选为院士

，据说1801 年法国的拿破仑曾亲临现场观看了伏打的实验表演，并授予他一枚特制的金质奖章，以表彰他发现电流的贡献。